CN109950549A - 一种锂离子电池用集流体及其制备方法 - Google Patents

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张锁江
李文杰
张兰
巫湘坤
何宏艳
边海燕
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Langfang Institute of Process Engineering of CAS
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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池用集流体及其制备方法，所述集流体包括金属箔以及涂覆在金属箔表面的具有优良导电性的碳材料层，所述金属箔为平面铜箔、平面铝箔、多孔铝箔、多孔铜箔的一种，所述碳材料层为super‑P、科琴黑、乙炔黑、碳纳米管、还原氧化石墨烯(RGO)、纳米结晶石墨烯(GNC)中的一种或二种以上混合物。该碳材料涂层可以修饰电极集流体和活性物质之间的界面构造。采用此集流体的锂电池，具有与电极材料接触电阻低、结合强度高等特点。本发明的集流体制备方法工艺简单高效，可有效地提高电池在高倍率下的循环性能，同时降低锂电池的内阻，提高锂电池的充放电性能。

Description

一种锂离子电池用集流体及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池集流体的制备方法，属于锂离子电池技术领域。
背景技术
随着现代日新月异的电子产品和迅速发展的能源汽车工业，外加传统化石能源的过度消耗和严峻的环境污染等问题，迫切的需要开发出低内阻，高能量密度，倍率性能卓越，循环性能稳定的高性能二次锂电池。锂离子电池集流体，不仅起到支撑电池内部结构的作用，而且是外界电子进入锂电池的第一步通道。不言而喻，它对锂电池的倍率性能和长期循环稳定性都起到了极其重要的影响。
在常规的锂二次电池制作过程中，将活性材料浆料直接涂布于平面或多孔集流体表面，干燥后通过粘结剂实现活性材料与集流体表面的固定。这样会存在集流体与活性材料接触面积小，粘结性差，界面电阻大等缺陷。为了提升锂电池的功率密度和循环寿命，涂碳金属箔成为近年来的研究热点。
中国发明专利申请CN 108950570A公开了一种锂离子电池负极集流体用多孔铜箔的制备方法，然而，酸化腐蚀的铜箔未涂覆有导电碳材料层，与电极材料之间的接触电阻和结合强度有待考量。中国发明专利申请CN 108950570A公开了一种锂电池集流体导电涂层，然而，使用刮刀将导电涂层直接涂覆在光面集流体上，这种方法导电涂层较厚，锂电池能量密度低。
发明内容
本发明的目的是针对目前锂电池集流体与活性材料接触面积小，粘结性差，电极材料容易脱落，界面电阻大等缺陷，采用一种简单易行的方法直接在金属箔上涂覆一层薄而稳定的导电碳材料层，提供一种锂离子电池集流体的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。
本发明公开了一种锂离子电池集流体的制备方法，所述集流体为金属箔以及涂覆在金属箔表面的具有优良导电性的厚度为0.2μm-5μm的碳材料层组成，所述碳材料为super-P、科琴黑、乙炔黑、碳纳米管、氧化石墨烯(RGO)、纳米结晶石墨烯(GNC)中的一种或二种以上混合物，所述碳材料的粒径5nm-100nm之间，且至少90％的粒径分布在5nm-50nm之间。
进一步地，所述金属箔为平面铝箔、平面铜箔、多孔铝箔，多孔铜箔的一种。
进一步地，所述金属箔的厚度为4μm-30μm。
进一步地，所述锂电池集流体制备方法包括如下步骤：
(1)按重量比计，导电碳材料，分散组分，NMP或酒精的比为(0.2～10):(0～5):(85～99)充分超声混合，得到导电碳材料层浆料。
(2)将步骤(1)得到的导电碳浆料通过Langmuir-Blodget scooping法涂覆在所述金属箔的表面。
(3)将步骤(2)制备的锂电池集流体在鼓风烘箱控制温度为60到100℃烘3-5个小时。
进一步地，所述Langmuir-Blodget scooping法包括以下步骤，
(1)将金属箔表面用异丙醇溶液进行表面预处理。
(2)将导电碳浆料滴入到支撑相中，导电碳相在支撑相表面铺展。
(3)优选的，所述支撑相为去离子水。
(4)提拉预处理后的金属箔，导电碳相沉积在金属箔上。
(5)真空干燥后，得到附着有薄而稳定导电碳层的金属箔。
附图说明
图1是通过Langmuir-Blodget scooping法制备锂离子电池集流体的制备方法示意图。
图2是锂离子电池倍率为0.5C的循环图。
具体实施方式
本发明用以下的实施案例进行进一步说明，但本发明不仅仅局限于下面的实例。
本发明采用的测试方式为CR2025电池测试，使用本发明所述锂电池集流体组装成硅碳负极对锂半电池。
实施例1
将0.4g碳纳米管(CNTs)和纳米结晶石墨烯(GNC)的混合物，0.2g分散剂溶于9.4g NMP中，超声分散2h，用Langmuir-Blodget scooping法涂覆在厚度为10μm的平面铜箔上，置于鼓风烘箱80℃，2h烘干NMP；
负极极片的制备：将负极材料硅碳450、粘结剂CMC、粘结剂SBR与导电剂super-P按照8:0.5:0.5:1的质量比进行称重，溶于去离子水中，搅拌制成合适粘度的浆料。将浆料涂布在制备好的集流体铜箔上，再以80～100℃烘干、辊压、裁片得到直径为14mm的硅碳负极极片，称重、计算并记录活性物质的质量，再经真空干燥后放入氩气保护氛围的手套箱内待用。
电解液：碳酸乙烯酯(EC)，碳酸二乙酯(DEC)，碳酸二甲酯(DMC)按1:1:1体积比为电解液溶剂，锂盐为LiPF6，摩尔体积浓度为1mol/L。
锂离子半电池：在氩气手套箱中组装硅碳450对锂片半电池。
实施例2
将0.02g碳纳米管(CNTs)和纳米结晶石墨烯(GNC)的混合物，0.01g分散剂溶于9.97gNMP中。
其它原料及制作方法同实施例1。
实施例3
将1g碳纳米管(CNTs)和纳米结晶石墨烯(GNC)的混合物，0.5g分散剂溶于8.5g NMP中。
其它原料及制作方法同实施例1。
实施例4
将0.4g导电炭黑(super-P)，0.2g分散剂溶于9.4g酒精中。
其它原料及制作方法同实施例1。
实施例5
将0.02g导电炭黑(super-P)，0.01g分散剂溶于9.97g酒精中。
其它原料及制作方法同实施例1。
实施例6
将1g导电炭黑(super-P)，0.5g分散剂溶于8.5g酒精中。
其它原料及制作方法同实施例1。
对比例1
区别在于，对比例1中所用锂电池集流体为平面铜箔，且平面金属箔表面无导电碳材料层。
其它原料及制作方法同实施例1。
对比例2
区别在于，对比例2中所用锂电池集流体为多孔铜箔，且多孔金属箔表面无导电碳材料层。
其它原料及制作方法同实施例1。
将实施例1—6与对比例1—2制备的锂离子电池进行性能测试，测试结果见表1：
表1.
由表1可知，本发明制备的锂离子电池具有良好的循环性能和倍率性能，由实施例1和对比例1—2的对比可知，采用导电碳涂层修饰的平面铜箔作为集流体时，锂离子电池的直流内阻有明显的降低，且可以长期稳定循环；实施例1—3和实施例4-6的对比可知，无论采用碳纳米管(CNTs)和纳米结晶石墨烯(GNC)的混合物或单独采用导电炭黑(super-P)作为导电碳材料，锂离子电池的整体性能均有一定程度的改善。

Claims (9)

1.一种锂离子电池用集流体，其特征在于，所述集流体包括金属箔以及涂覆在金属箔表面的具有优良导电性的碳材料层。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池用集流体，其特征在于，所述金属箔为平面铝箔、平面铜箔、多孔铝箔，多孔铜箔的一种。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池用集流体，其特征在于，所述金属箔的厚度为4μm-30μm，孔隙率为0％-60％；
优选地，所述金属箔的厚度为8μm-12μm；
优选地，所述金属箔的孔隙率应小于30％。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池用集流体，所述碳材料为super-P、科琴黑、碳纳米管、还原氧化石墨烯(RGO)、纳米结晶石墨烯(GNC)中的一种或二种以上混合物，所述碳材料的粒径在5nm-100nm之间，且至少90％的粒径分布在5nm-50nm之间。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池用集流体，其特征在于，所述碳材料层的厚度为0.2μm-5μm；
优选地，所述碳材料层的厚度应小于1μm。
6.一种锂离子电池用集流体的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按重量比计，导电碳材料，分散组分，NMP或酒精的比为(0.2～10):(0～5):(85～99)，充分超声混合均匀，得到导电碳材料层浆料。
(2)将步骤(1)得到的导电碳材料层浆料通过Langmuir-Blodget scooping法涂覆在所述多孔金属箔的表面。
(3)将步骤(2)制备的锂离子电池用集流体在鼓风烘箱干燥。
7.根据权利要求书6所述的制备方法，其特征在于，所述的超声分散工艺时间为2-5h。
8.根据权利要求书6所述的制备方法，其特征在于，所述的分散组分为异丙醇、正丁醇、松油醇、乙酸乙酯、乙酸丁酯的一种或二种以上的混合物。
9.根据权利要求书6所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中干燥温度为60-100℃，干燥时间为2-5个小时。
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